什么是光学生物传感器存储？第2部分---凯利讯半导体

　　本系列的第1部分提供了使用脉冲体积描记器(PPG)波形反射计的概述，并描述了工作中的物理和生理原理。

　　PPG传感器捕获什么?

　　注意力集中在临床使用PPG; 例如手指夹上的脉搏血氧仪。然而，即使在最无菌的临床环境中，光学传感器也能捕捉到影响其光路的所有环境变化，并混淆体积描记信息。在较少控制的可穿戴配置中，情况变得更具挑战性。

　　一般来说，环境混杂因素(或噪音)分为两大类：光学和生理学。光学噪声指的是由传感器看到的光学路径的特性的改变，而与观察到的血液的体积的光吸收无关。例如，光学传感器可以拾取环境光。这可能是特别麻烦的，因为室内照明通常包含闪烁，其可以周期性地影响所感测的光信号的偏移并干扰PPG信号。同样，生理变化可以改变组织中的血流量和体积，进而改变PPG信号。

　　这些挑战存在于各种环境中，并在可穿戴应用中较少受控制的环境中变得更加明显。但是，PPG在可穿戴设备中仍然很受欢迎，因为它是监测佩戴者关键生命体征的可靠方法。

　　为了应对这些挑战，先进的PPG IC现在具有智能信号路径，以减轻这些工件的影响。随着改进的算法，他们使设计人员能够将PPG包括在耳塞，戒指，项链，头部和手臂带，手镯，手表和智能手机等多种形式中。

　　以下部分将更详细地讨论光学噪声。

　　PPG电路和噪音

　　图1 PPG电路中的噪声源

　　在研究光学噪声之前，理解PPG传感系统的整体性能考虑是有用的(图1)。可穿戴PPG电路的主要任务是在保持消耗功率的同时最大化信噪比(SNR)。

　　表示灌注指数的值PI是组织中脉动血流与静态(非脉动)血液的比率。在数学上，PPG信号的AC部分是整个信号的一部分。

　　控制LED电流的大小，瞬态以及上升和下降时间的LED驱动器是发送路径上的噪声和功率的关键因素。在接收路径上，PPG电路处理抗混叠，采样和环境光抑制。这些电路还可以在很宽的感应范围内保持电源效率，并且日益提高信号的线性度。

　　集成的PPG传感器前端电路(如MAX30112)通过将这些功能组合到一个具有成本效益的单芯片IC中简化了PPG的实施考虑事项。它驱动LED光源并对光检测器的输出进行采样。根据LED和光电探测器的选择，涉及的光电流范围从亚nA到几十μA。

　　环境光线的拒绝

　　虽然本文先前仅引用了环境光闪烁，但DC和AC环境光条件都可能对PPG造成问题。强恒定(DC)环境光可以使光电探测器饱和，使得PPG波形不可检测。因此，前端电路必须捕捉LED熄灭时的环境光线电平，并在采集PPG信号之前从光电探测器输出中减去它(图2)。一旦环境光分量被移除，PPG信号可被采样而没有饱和的风险。

　　照明中的闪烁(主要是室内)为PPG提供了另一个噪声源。取决于世界上的地区，室内灯光可能会以50或60Hz的基本频率闪烁，这接近PPG信号采样的频率。当未校正时，环境闪烁可能导致每个样品的不同偏置偏移。该

　　MAX30112

　　采用先进的相关采样技术，专门设计用于衰减任何50 / 60Hz的闪烁成分，从而减轻其对PPG信号的破坏性影响。

　　图2 概念图显示PPG信号中环境消除的两阶段滤波。在采样之前，粗略的DC信号被去除以避免转换器饱和，然后采样和滤波技术解决其他环境光伪影。

　　运动工件

　　一些PPG衍生的信息，如脉搏血氧仪(SpO 2)，特别容易被运动伪影腐败。SpO 2是通过使用以下比值R比较氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光吸收来测量的：

　　其中PI 1 和PI 2 是使用在波长1和2处的两种不同颜色的光获取的系统的灌注指数。

　　由于比率R和PI在方程中显着，SpO 2的准确性取决于维持PI值的一致性。PI受PPG探针的光学/机械设计或可穿戴以及受试者的生理条件的影响。主动或非自主的物理运动可能导致传感器相对于组织的机械位移。这可以动态地修改光耦合的效率，改变光路长度，否则诱发寄生信号动态。即使微小的移动也会影响PPG信号。例如，由呼吸运动产生的运动常规地耦合到PPG波形中。

　　运动也可以引起与动脉脉冲无关的组织的生理变化。例如，改变姿势的受试者可以部分地中断血流并动态地重新分配静脉血量。这种变化将反映在PPG测量中，并可能在脉搏血氧仪的背景下被解释为错误的。生理变化也可能发生，而没有运动。显着的环境或皮肤温度以及水合作用的变化都会影响PPG的观察结果。

　　通过减轻运动伪影的影响来提高脉搏血氧饱和度测量的准确性是一个深入研究的课题。算法采用了不同的技术，从简单的移动平均到复杂的非线性自适应滤波器。外部引用可以帮助限定运动伪像。这些参考文献包括对运动敏感的惯性传感器，但不是光学环境的变化和第三波长的光，其对光学环境的变化而不是运动敏感。即使算法进步，运动伪影仍然限制了可佩带PPG设备的准确性。

　　新型可穿戴光学生物传感器的应用

　　尽管PPG在准确性方面受到实际限制，但PPG在可穿戴应用领域已经取得了成功，因为它们为穿戴者提供了非侵入性的纵向生命体征信息，包括心率，脉搏率和脉搏血氧仪。此外，先进的算法已经测量了心率变异性和血压，全部来自PPG信号。

　　提供持续的健康信息可以使我们的方法发展到医疗保健。除了零星的临床测试结果之外，可穿戴设备还提供补充信息，这些信息反映了佩戴者在很长一段时间内的细微变化。这种见解可以提供整体诊断，有时在临床上可观察到的症状出现之前。

　　可穿戴的PPG远不止是报告生命体征。以PPG数据作为数据融合和机器学习的输入，标准大学的早期研究使用日常穿戴式生物传感器测量，包括心率，皮肤温度，SpO 2以及43个人的身体活动，以证明可穿戴式传感器可用于识别莱姆病和炎症的发作。从这些观察，研究人员已经开发出个性化疾病检测的计算算法。事实上，更令人兴奋和雄心勃勃的应用正在进行。

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